水体富营养化是指水生生物所需的氮、磷等营养物质大量输入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物异常过度繁殖，水体透明度和溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的水体衰老现象。湖泊水体中浮游藻类的生长和繁殖由多个环境因子共同决定，在适宜的水温、水体流速、光照和其他外部条件下，富营养化水体中浮游藻类会大量繁殖并上浮集聚形成水华，而蓝藻水华正是其中较为常见且危害严重的一种。
水体富营养化引发的蓝藻水华已在世界范围内广泛存在。近年来，我国内陆湖泊如太湖、滇池、巢湖等也均暴发过较严重的蓝藻水华。蓝藻水华的发生使水体透明度下降，严重抑制了深层水体的光合作用，溶解氧减少，引起水生生物缺氧窒息死亡，形成富营养水体的恶性循环。水华发生期间常伴随着一些产毒蓝藻的大量繁殖，其中比较常见的主要有铜绿微囊藻、惠氏微囊藻、依沙束丝藻和卷曲鱼腥藻等，而其产生的蓝藻毒素中，又因微囊藻毒素分布广泛、毒性较大、危害最为严重，因而倍受关注。蓝藻水华不仅对水体的生态环境造成了严重的破坏，影响景观和旅游业，更重要的是给饮用水源地的用水安全造成严重隐患，对周边群众的正常工农业生产和生活质量造成极其恶劣的影响。
图1 常见有害蓝藻种类
在常规饮用水处理工艺中，混凝沉淀工艺为去除藻类的主要方法。水源水经过混凝、沉淀、过滤、消毒等工序后，大部分蓝藻细胞会被去除，从而达到净化水质的目的。一般情况下，蓝藻的藻毒素及其他有机物主要集中在细胞内，因此在饮用水处理过程中，保持细胞完整、不引起藻细胞释放胞内物质是减少胞内毒素和胞内溶解性有机物给饮水健康造成危害的关键步骤。藻类高发季节常用的投加氧化剂杀藻会造成蓝藻细胞破损，毒素释放。我们在研究中发现，通过优化常规无机混凝剂(氯化铝、氯化铁、聚合氯化铝、聚合氯化铝铁)的混凝条件，可以实现蓝藻细胞的无破损去除。另外，我们发现一些天然有机高分子混凝剂如壳聚糖也能完整去除藻细胞，并且在此基础上研发了使用壳聚糖和氯化铝复配进行混凝的新工艺，在有效减少混凝剂用量的同时显著提高了对藻细胞和藻毒素的去除效果。
图2常规饮用水处理工艺
图3 水体中藻细胞被完整无破损混凝去除
在混凝阶段将蓝藻细胞完整无破损从液相转移到固相，大大减少了制水工艺中藻毒素的含量，保障了饮用水的安全。但是，混凝沉淀到底泥的藻细胞在堆置及底泥脱水过程中，由于营养缺乏和一些化学、生物、机械等不利因素影响，会出现蓝藻细胞发生破损并向胞外释放胞内毒素以及胞内有机物的现象，这将对脱泥水回用及生态环境安全造成严重的二次威胁。因此，我们应该在藻细胞发生破损前对含藻底泥进行必要的合理处理来规避其危害的产生。在对堆置期间含藻底泥中藻细胞的状态进行研究后，我们发现不同混凝剂混凝后藻细胞破损情况有明显差异。其中，壳聚糖和聚合氯化铝混凝絮体中蓝藻细胞会在堆置2天后发生破裂，氯化铝混凝絮体中蓝藻细胞会在堆置6天后发生破裂，而氯化铁和聚合氯化铝铁混凝絮体中蓝藻细胞在堆置10天后依然保持较完整的细胞。这些重要研究成果将有助于加快我国饮用水处理工艺的完善进程。
在对含藻给水底泥处理方面，课题组进行了厌氧生物降解去除给水底泥中蓝藻细胞及其次生代谢产物的研究。研究表明，外界温度越高，酸碱度越强，给水底泥中蓝藻细胞破损程度越大，在35℃、pH=8的厌氧条件下，藻毒素的降解效率可高达99%。研究厌氧过程中产生的气体发现，其主成分为N2、CH4、NH3、CO、和H2O(水蒸气)等气体，其中CH4、NH3和H2O(水蒸气)3种气体可能与蓝藻细胞及藻毒素的厌氧生物降解有关。此外，研究考察了投加碳源和氮源对厌氧条件下给水底泥中藻毒素降解的影响机理。研究发现，葡萄糖(有机碳源)对藻毒素降解有明显的抑制作用，且随着葡萄糖浓度的增大，其抑制作用也随之增强。Na2CO3(无机碳源)的浓度较低时(小于100 mg/L)可促进藻毒素的降解，随着NaNO3浓度的增加(大于100 mg/L)，藻毒素的降解受到抑制且硝酸盐浓度越大，抑制作用越强。CON2H4(有机氮源)的投加对藻毒素的厌氧生物降解产生明显的抑制作用，且随着投加量的增加，其抑制作用也随之增强。同时，利用PCR-DGGE技术研究了不同厌氧条件下给水底泥中微生物群落结构的变化，鉴定出在厌氧条件下具有藻毒素降解功能的菌株，为后续的加菌强化厌氧生物去除给水底泥中藻毒素的处理工艺提供理论依据，这些重要的研究成果更将有助于推动我国给水底泥处理处置的进程。
图4 含藻底泥中蓝藻细胞会在堆置一定时间后发生破损
本研究受到国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“微藻的控制与利用”的资助，研究内容已在Scientific Reports, Water Research, Bioresource Technology 等国际著名期刊发表，如：
◆Evaluating the effectiveness of ferric chloride, aluminum chloride and polymeric aluminum ferric chloride on cyanobacterial cell viability and integrity during the cyanobacteria-containing sludge storage process, Scientific Reports, 2016, 6, 34943. ;
◆Characteristics of water obtained by dewatering cyanobacteria-containing sludge formed during drinking water treatment, including C-, N-disinfection byproduct formation, Water Research, 2017, 111(3), 382–392. ;
◆The removal of cyanobacteria and their metabolites through anoxic biodegradation in drinking water sludge. Bioresource Technology. 2014, (165) 191-198.
